（木材科学与技术专业论文）煤木混合型煤的特性试验与研究.pdf

摘要 本文首先在分析我国能源特点、工业锅炉现状的基础上，对发展工业型煤的必要性 进行了分析，结合我国生物质资源情况及燃烧特点，分析了生物质型煤的发展前景和重 要意义。 结合工业锅炉的燃烧需要及加工方便，在参考相关型煤尺寸、形状研究的基础上， 作者设计了扁球形及椭球形两套煤木混合型煤模具，并加工出各种试样，用以试验及分 析。在测试冷压强度、落下强度、防水性、煤球平均密度的基础上，比较全面地分析了 锯屑比例、粘结荆含量、成型压力、煤粉粒度及模具形状等因素对成型效果的影响，并 提出了煤木混合型煤成型的推荐工艺参数。 煤木混合型煤的燃烧特性主要是指发热量、挥发份、焦结性和灰熔点。煤木混合型 煤的发热量是一个重要参数，作者在实际测试烟煤、锯屑发热量的基础上，根据锅炉原 理与燃料燃烧学中的有关理论，推导了煤木混合型煤的发热量计算公式，经验证具有较 高的精度，并给出了一定范围内的发热量速查表，为改进生产工艺提供了依据。 作者利用热重分析仪对煤木混合型煤的燃烧失重速率、着火温度、最大燃烧反应速 率时的温度等进行了研究。在对照分析纯煤粉、纯锯屑的t g 、d t g 、d t a 曲线的基础上， 具体分析了不同锯屑比例、不同黄泥比例对燃烧失重速率、着火温度等燃烧特性的影响。 此外，对四个煤木混合试样，一个纯煤样，一个纯锯屑试样的燃烧过程分别计算了 动力学参数，并对各参数进行了对照分析及研究。 关键词：煤木混合型煤：物理特性；燃烧特性 a b s t r a c t f i r s t ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n go u rc o u n t r ye n e r g ys o u r c e sc h a r a c t e r i s t i c sa n di n d u s t r i a l b o i l e rc u r r e n ts i t u a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e c e s s i t yo f d e v e l o p i n gi n d u s t r i a lb r i q u e t t e c o m b i n e dw i t ht h eb i o m a s sr e s o u r c e ss i t u a t i o no fo u rc o u n t r ya n dc o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e st h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c ta n dt h ei m p o r t a n tm e a n i n g o f b i o - b r i q u e t t e c o m b i n e dw i t hc o m b u s t i o nn e e d so fi n d u s t r i a lb o i l e ra n dp r o c e s sc o n v e n i e n t ，o nt h eb a s i s o fc o n s u l t i n gr e l e v a n tb r i q u e t t e sm e a s u r e m e n ta n df o r m st os t u d y , t h ea u t h o rh a sd e s i g n e d f l a ts p h e r i c a la n de l l i p t i cs p h e r i c a lt w ob r i q u e t t em o u l dt h a tm i xt h ec o a la n dw o o d ，p r o c e s s v a r i o u ss a m p l e s ，f o re x p e r i m e n ta n da n a l y s i s o nt h eb a s i so ft e s t i n gc o l d p r e s s e si n t e n s i t y , d r o p si n t e n s i t y , w a t e r p r o o f , a v e r a g ed e n s i t y o fe g g t y p e b r i q u e t t e ，t h ea u t h o r h a s c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e dt h a ts a w d u s tp r o p o r t i o n ，b i n d e rc o n t e n t ，p r e s s u r eo fs h a p i n g ， p o w d e ro fc o a lg r a n u l a r i t ya n dm o u l ds h a p eh a di m p a c t e do ns h a p i n gi na na l l r o u n dw a y , a n dh a v ep r o p o s e dt h er e c o m m e n d a t i o nc r a f tp a r a m e t e ro fs h a p i n go fw o o d c o a lb r i q u e t t e t h ew o o d - c o a lb r i q u e t t ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cm a i n l ym e a n st h ec a l o r i cv a l u e ， v o l a t i l i z e ss h a r e ，b u r n tf o r m i n ga n dg r a ym e l t i n gp o i n t t h ec a l o r i cv a l u eo ft h ew o o d - c o a l b r i q u e t t ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e r , t h ea u t h o ri so nt h eb a s i so ft e s t i n gc a l o r i cv a l u eo f t h e b i t u m i n o u sc o a l ，s a w d u s ta c t u a l l y , a c c o r d i n gt ob o i l e rp r i n c i p l ea n db u r n i n gr e l e v a n tt h e o r y s t u d y ，d e r i v ec a l c u l a t ef o r m u l a eo fw o o d c o a lb r i q u e t t ec a l o r i cv a l u e ，h a v eh i g h e rp r e c i s i o n t h r o u g hv e i l l y i n g ，t h ec a l o r i cv a l u ep r o v i d e di nac e r t a i nl i m i tc h e c k sf o r m sq u i c k l y , h a v e o f f e r e db a s i sf o ri m p r o v i n gt h ep r o d u c t i o nt e c h n o l o g y b yu t i l i z i n gt h e r m o g r a v i m e t r i ca p p a r a t u s ，t h ea u t h o rs t u d i e st h ew e i g h t l e s ss p e e do f b u r n i n go ft h ew o o d - c o a lb r i q u e t t e ，t h ef l a m et e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ea tt h em o s th e a v y r e a c t i o nr a t eo fb u r n i n g ，e t c o nt h eb a s i so fc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gt h ec o n t o u r so ft g d t ga n dd t ao fp u r ec o a lp o w d e ra n dt h ep u r es a w d u s t ，m a k eac o n c r e t ea n a l y s i so f d i f f e r e n ts a w d u s tp r o p o r t i o n ，d i f f e r e n tc l a yp r o p o r t i o nt ob u r n i n gw e i g h t l e s ss p e e d ，t h e f l a m et e m p e r a t u r ei n f l u e n c et ob u r n i n gc h a r a c t e r i s t i c i na d d i t i o n ，t of o u rm i x t u r eo fc o a la n ds a w d u s t ，ap u r ec o a ls a m p l e ，ap u r es a w d u s t m o d e lc o m b u s t i o np r o c e s sh a sc a l c u l a t e dd y n a m i c sp a r a m e t e rs e p a r a t e l y , a n dh a sc a r r i e do n t h ec h e c ka n a l y s i sa n dt h er e s e a r c ht ov a r i o u sp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：w o o d c o a lb r i q u e t t e ；p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ；c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 致谢 y9 0 6 5 2 0 本文是在导师孙军副教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、构思和方案的确定 到论文的完成都得到导师的精心指点。几年来，导师渊博的知识、严谨的治学态度、求 实的工作作风无不给作者深刻的教诲和启迪。谨此，向导师致以最诚挚的谢意 在论文进行过程中。，得到了朱典想教授、袁竹林教授、周捍东教授、徐魁梧副教授、 梅玉春副教授、王洋明高级实验师、邹玲工程师和刘翔实验员的热情帮助、支持和关心 指点。在实验过程中，还得到了侯利华、路璐、甘字锋等同学的热心协助。 谢意 根据答辩委员会各位委员的建议，在论文付印前，作者对论文进行了修改。 在论文完成之际，向所有给予支持和帮助的老师、同学以及我的家人表示最诚挚的 在论文进行过程中，还参考了许多文献资料，在此，向各参考文献的作者、译者和 出版者一并表示感谢! 作者：王志和 2 0 0 6 年6 月于南京 1前 言 目前，在我国生产、采暖及生活方面使用的工业锅炉中，燃煤型占大多数， 由于燃料自身的原因，已经带来了严重的环境污染问题，如二氧化硫排放、烟尘 排放等。在降低污染方面，型煤技术作为一个选项，得到了一定的发展和重视。 从木材加工行业来说，有大量的木质剩余物，常作为废料处理，若处理不当， 还会造成环境污染等问题。如把木废料掺入到工业锅炉的燃煤中，研究、开发出 适合工业锅炉使用的煤木混合型煤，将有助于促进相关企业的节能与环保。 煤木混合型煤研究的关键之一，就是探索型煤的成型特性及相关的燃烧特 性。 1 1 煤炭的优势与不足 1 1 1 煤炭与国民经济 能源是世界各国经济发展的支柱，其中煤炭占据着重要地位。从世界各国当 前的能源消费结构看，发达国家以油、气为主，煤炭资源丰富的发展中国家往往 以煤炭为主。 中国是以煤炭为主要能源的国家，是目前世界上最大的煤炭生产国和消费 国，据统计，1 9 9 9 年中国煤炭占能源消费结构中的比重高达7 2 9 。全国每年 用于直接燃烧的动力煤约占煤炭总消费量的8 0 ，其中发电约占3 2 ，工业锅炉、 窑炉约3 5 ，民用及其它l o 以上。 随着我国经济持续快速增长，能源需求非常强劲。综观能源消费结构的长期 发展趋势，我国油、气消费比例会上升，煤炭消费比例会下降，但在今后相当长 的一段时期内，比如未来几十年内，煤炭在我国能源中的主导地位是不可动摇的， 这是由我国能源资源、外汇、燃料成本等情况决定的，也是由我国的工业结构和 设备状况决定的。 首先，煤炭是可靠的能源。据世界能源委员会的统计结果，1 9 9 8 年全球化 石能源最终可采储量中，煤炭占8 9 ，石油占5 ，2 ，天然气占5 8 ，煤炭的储 量是油气总和的8 1 倍，而且煤炭资源分布相对比较均匀。在中国化石能源储量 中，石油和天然气储量仅占5 7 ，煤炭储量占9 4 3 ，约为油气储量总和的1 7 倍。从资源看，煤炭在世界和中国都是可靠的能源”3 。 其次，煤炭是廉价的能源。按同等发热量计算，北京市天然气、柴油、重油 的价格约为动力煤炭价格的4 倍、6 倍和3 倍。同类比较各国的天然气价格，中 国的天然气价格很高，约为美国的2 ，0 倍，加拿大的4 5 倍，英国的3 倍。由此 可见，在中国的矿物能源中，煤炭是最便宜的”1 。 第三，其它因素制约。我国社会发展水平较低，经济实力有限，只能进口一 定数量的石油、天然气资源。此外，我国工业产品附加值较低，工业装备水平落 后，普遍采用油、气作燃料是不现实的，将导致燃料成本偏高，竞争力下降。 1 1 2 煤炭与环境污染 我国是世界上仅有的几个以煤炭为主要能源的国家之一，对煤炭的过分依赖 也导致了严重的环境污染问题，可以说，煤炭的生产和利用要对大气污染、酸雨 及气候变化等环境问题承担主要责任”1 。究其原因，一是我国煤炭资源的特点是 高硫分、高灰分煤比重大，大部分原煤的灰分含量在两成左右，约1 3 的原煤含 硫量高于2 o ，属于中高硫煤和高硫煤，而且高硫煤产量还在逐年增加。二是 我国目前的煤炭加工环节还相当薄弱，煤炭利用仍以传统、落后的技术为主，环 保设施办不健全、配套。因而，不仅煤炭利用效率低，煤炭资源浪费严重，而且 排放大量污染物，使得生态环境恶化。 煤炭、油气燃烧都要产生温室气体，但灰尘及= 氧化硫的产生则主要是煤炭 燃烧造成的。1 9 9 5 年，我国煤炭消耗量为1 2 8 亿吨，二氧化硫排放量为2 3 7 0 万吨，预计到2 0 1 0 年，煤炭消耗量估计将增到18 亿吨，二氧化硫排放量可达 3 0 0 0 万吨。二氧化硫等造成的危害越来越严重，致使我国已形成了较大面积的 酸雨区，如长江以南的大面积酸雨区，四川、贵州某些地方出现了森林死亡、植 被破坏等”1 。 既要保护环境，又要满足生产、生活对煤炭的实际需求，可以说洁净煤技术 是一个很好的选择。从目前看，洁净煤技术正受到日益关注，世界各国都在竞相 开发相关的应用技术，其前景不容置疑。 1 2 洁净煤技术与工业锅炉 洁净煤技术是高效、洁净的煤炭加工、燃烧、转化和污染控制的技术。通过 加工可减少煤炭的硫分、灰分；通过洁净、高效的燃烧可显著减排大量的s 0 2 及一定量的c o ：；通过转化可把煤炭转化为清洁的液体、气体燃料，使煤炭得到 清洁的利用；通过烟气净化，如烟气除尘、烟气脱硫等保持大气清洁。 1 2 1 煤炭洁净加工技术 煤炭洁净加工技术包括选配煤技术、型煤技术及水煤浆技术。 选煤主要用于脱除煤炭中的灰分和硫分，是保护环境的最经济和最有效的技 术，是煤炭深加工的前提，每选煤l 亿吨，约可减少1 0 0 万吨的s o 。排放量。1 9 9 9 年我国年选煤能力为5 亿吨，年入洗原煤3 亿吨。 动力配煤是将不同品质的煤取长补短，经过破碎、筛选按比例配合，并辅以 一定的添加剂以适应用户对煤质的要求。统计表明，锅炉采用配煤后，平均节煤 可达5 ，目前我国已有年产动力配煤8 0 0 0 万吨的能力”1 。 2 型煤是将一种或多种粉煤，有时还掺入一定比例的劣质煤，利用粘结剂，经 过机械加压等工艺过程，制成具有同样大小的“型块”，统称型煤。型煤分为民 用型煤和工业型煤两类，民用型煤如煤球、蜂窝煤：工业型煤品种较多，最受关 注的是用作工业锅炉燃料的型煤，一直是研究的重点。据有关资料，烧民用型煤 与烧散煤相比，燃烧效率提高一倍，节煤2 0 3 0 ，烟尘和s o ：排放可减少4 0 6 0 。工业锅炉燃烧型煤比燃烧原煤节能15 左右，原始排尘减少7 0 8 0 ， 总固硫率5 2 7 3 ”。因此，洁净型煤技术是符合我国国情的一项实用技术。 水煤浆是由煤、水和化学添加剂按一定的要求配制成的混合物，具有较好的 流动性和稳定性，易于储存，可雾化燃烧，是一种燃烧效率较高、较廉价的、低 污染的洁净燃料，可替代重油缓解石油短缺引起的能源安全问题。1 。 1 2 2 煤炭高效燃烧及转化技术 目前研究的洁净及高效燃烧技术包括常压循环流化床( c f b c ) 、增压循环流 化床( p f b c ) 、整体煤气化联合循环三项技术。 煤炭转化技术包括气化及液化技术。煤炭通过气化、液化可将硫及灰分等有 害成分脱除，得到洁净的二次能源，对保护环境很有利，目前主要问题是生产成 本太高。 1 2 3 烟气净化技术 烟气净化包括烟气的除尘及脱硫。烟气除尘方面主要是研制各种新型高效除 尘器，而烟气净化脱硫的研究目标是降低费用。 湿法脱硫是世界上应用最广的烟气脱硫技术。该法采用碱性液体作为吸收 剂，工艺技术成熟，处理效果好，最高脱硫效率可达9 5 ，但由于配套设旌庞大， 投资昂贵，发展中国家难以承受，对于传统湿法脱硫技术的进一步改进就成为研 究的重点。 也有研究用海水来进行烟气的脱硫。因海水含有大量可溶性盐，主要成分为 氯化钠、氯化镁和硫酸盐，呈碱性，挪威a b b 公司进行了海水脱硫试验，已在 挪威和国外建成2 0 多套装置，脱硫效果比较理想”1 。 1 2 4 中国工业锅炉使用现状 我国燃煤工业锅炉量大面广，每年燃煤约3 ，8 亿盹，污染物基本上是无控排 放。据估测，燃煤工业锅炉每年约向大气排放二氧化硫6 4 0 万吨，烟尘8 0 0 万吨， 二氧化碳6 亿吨；每年向地面排放灰渣8 7 0 0 万吨，产生的污染约占燃煤污染总 量的1 3 ”1 。污染之所以如此严重，除了工业锅炉制造水平较差、工业锅炉操作 人员素质不高外，一个重要因素就是绝大多数工业锅炉在燃用散煤或原煤，燃料 根本未经处理。 工业锅炉在工业生产和日常供暖中起着非常重要的作用，不可能被取消。由 于工业锅炉产生的污染不容易治理，目前解决问题的最佳方法就是把工业锅炉的 改造和提高煤质结合起来。优先采用优质煤炭，如洗选煤、筛选煤、固硫型煤等 是解决污染问题的一个很好的措旋，因此，固硫或低硫型煤技术的开发和研究很 有现实意义。 i 3 工业型煤及成型技术 型煤是洁净煤技术的一种，它将粉末状的煤炭加工成块状燃料，具有燃烧效 率高，烟尘含量低等优点。型煤是国家“九五”科技攻关和国家科委推广洁净 能源的重点项目，其价格比燃气、燃油低，易被用户接受，将成为今后相当一段 时间内，国家产业政策提倡的产品，而且在各种洁净煤技术中，型煤较适合我国 国情。 i 3 1工业型煤的应用领域及意义 目前我国的工业锅炉、窑炉基本上都是散烧，年耗原煤4 0 0 m r 以上，热效率 低下、环境污染严重。发展炉窑用型煤，是改变这种状况的重要途径。工业锅炉、 窑炉燃用型煤后可达到节煤、降尘、减少有害气体排放量的效果。 型煤技术不仅使低质的粉煤、泥煤、褐煤提高了经济价值，而且在利用过程 中可以给人们一个相对洁净的环境。我国现有工业锅炉、窑炉6 0 多万台，都属 于层燃式，适宜燃用块状燃料，燃料气的生产及化肥厂合成气的生产都需要块煤， 但是随着采煤机械化程度的提高，块煤产率逐渐下降，难以满足工业对块煤的需 求。发展工业型煤，不仅可以缓解块煤供不应求的被动局面，而且为粉煤、泥煤 的合理、有效利用开辟了新的途径。 根据需要，型煤可以做成不同的型窝形状及粒径。从已有的研究成果看，粉 煤更适合成型，粉煤成型的型煤更适合工业锅炉使用。 i 3 2 粉煤成型技术 粉煤成型是将6 m m 以下的煤粉加入粘结剂后加压或快速加热到胶质状态下 加压，使其形成具有一定形状、尺寸、特定物理化学性质和不同用途产品的工艺 过程。粉煤成型的产品称型煤阳1 。 ( 1 ) 粉煤成型工艺 成型原料性质不同，成型时需要采用不同的成型工艺。煤炭成型按成型的工 艺条件分为冷压成型、热压成型和球团成型。 冷压成型 冷压成型是在型煤配合料温度低于1 0 0 的条件下成型的工艺，包括无粘结 剂成型和粘结剂成型两种工艺。是粉煤成型的主要方法。型煤配合料是由粉煤、 粘结剂和添加剂按比例配合成性能符台成型要求的物料。 无粘结剂成型是不加入粘结剂的成型工艺，按成型压力大小可分为低压成 型、中压成型和高压成型。成型压力小于5 0 m p a 的成型叫低压成型，主要用于生 产无烟煤湿棒作合成氨原料，也用于含泥页岩的煤成型，这种成型方法未获广泛 应用：成型压力为5 0 i o o m p a 的成型叫中压成型，主要供无烟煤和泥炭配方的 成型；成型压力高于i o o m p a 的成型叫高压成型，主要用于年轻褐煤或中年褐煤 的成型，是成熟的成型方法。 粘结剂成型是在成型过程中外加粘结剂等添加剂的成型工艺。所使用的粘结 剂包括有机粘结剂、无机粘剂和复合粘结剂，其分类如表1 1 所示。包括物理成 型和化学成型两种。物理成型是粘结剂在成型过程中只起粘结作用。化学成型是 粘结剂在成型和型煤固结过程中发生化学变化而起粘结作用，如石灰碳酸化型煤 的成型方法。 表1 1 型煤粘结剂分类表 有机粘结剂无机粘结剂 复合粘结剂 疏水性亲水性不溶性 水溶性 粘土一纸 焦油沥 纸浆废液、糠 水泥、石 浆废液、水玻 青、石油沥青 醛渣废液、酿酒废 灰、各种粘土水玻璃等 璃一粘土、水玻 液、腐植酸碱盐溶 璃水泥等 等 守 液等 热压成型 热压成型是利用型煤配合料加热到大量形成胶质体的温度，以胶质体作粘结 剂加压成型的工艺。这种成型方法多用来生产型焦。 球团法成型 球团法成型是在粘结剂和水的作用下，型煤配合料无需加压力，在圆盘式或 滚筒式球团成型机中滚动成型。成型产品是球团。 ( 2 ) 粉煤成型机理 煤炭成型时，粘结剂与煤粒之间的作用是一个复杂的物理化学过程。不仅与 粘结剂和煤炭本身的性质、结构有关，而且和成型条件密切相关。从热力学观点 出发，粉煤成型过程是体系的熵减小的非自发过程。欲使粉煤成为具有一定强度 的型煤，外力做功和粘结剂是重要的基础条件。经验表明，煤粒与粘结剂间的润 湿和粘合直接影响型煤质量。煤颗粒以非极性表面为主，其表面有一定粗糙度和 孔隙，润湿性差、疏水性强，在成型前需要充足的“醒料”时间，以促成粘结剂 与煤粒间的充分润湿。成型时粘结剂相互连接固化可形成骨架，一部分煤粒通过 分子间的吸附作用与相邻煤粒及粘结剂结合，一部分煤粒则镶嵌在粘结剂形成的 “骨架”当中，这样由化学的范德华力和物理的机械镶嵌结合，又加上其它一系 列复杂的作用，使原料得以成型阳”儿1 。 1 4 生物质能与成型技术 面对2 l 世纪经济增长和环境保护的双重压力，改变能源结构、开发利用可 再生清洁能源，已成为我国建立可持续发展的能源系统，促进国民经济发展和环 境保护的一个重要课题。 1 4 1生物质能的应用意义及进展 作为可再生能源中的一大类，生物质能的消费总量仅次于煤、石油和天然气 这些传统能源，居世界能源消费总量第四位。从远古时代起，它就是人类赖以生 存的重要能源，随着能量密度更高的矿物能源的开发，生物质能在能源结构中的 地位逐渐下降。但现在随着环境污染的日益严重和矿物能源的日益枯竭，生物质 能因其污染小、可再生等特点，又被重新重视起来。 生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物排泄物，垃圾及 有机废水等，是生物质能的载体，是唯一一种可储存和可运输的可再生能源。据 估算，我国每年可利用的生物质能资源可达7 亿吨标准煤，而目前的年实际使用 量为2 2 亿吨标准煤，也就是蜕，还有折合近5 亿吨标准煤的生物质能资源有待 开发n 2 1 。 由于生物质的能量密度及热效率低，体积大，不易运输，且在运输过程增加 了c o ：的排放等缺点，使其在推广应用上仍逊于传统矿物能源。所以在大型燃煤 电厂，出现了生物质与矿物燃料联合燃烧的新概念。大型电厂的可调节性大，能 适应不同的混合燃烧，因此对许多现存设备不需做太大的改动，整个投资费用较 低，这为生物质和矿物燃料的优化混合提供了机会“3 1 。 1 4 ，2 生物质燃料成型技术 提高生物质直接燃烧的热能利用率，是世界各国都在广泛研究的课题。到目 前为止，主要集中在对生物质材料形状的再加工或重组以及燃烧器具的研究。将 植物质材料加工成为颗粒状、块状或粉状生物燃料是实现高效燃烧的前提。 生物质固形燃烧是新推广的技术，它是将生物质进行过粉碎、干燥等预处理 后，送入成型器中，在外力作用下压缩成需要的形状，然后作燃料直接燃烧。固 化成型后的生物质材料方便运输和贮存，更可直接供传统燃煤设备燃用。该技术 的一大突出优点，就是能充分利用生物质能源替代煤炭。 ( 1 ) 生物质燃料成型技术的发展 早在二战期间国际上就开始了有机燃料压缩成型的研究。2 0 世纪3 0 年代， 螺旋式在美国开始设计，同时，活塞成型机在瑞典、德国得到推广。2 0 世纪5 0 年代日本人研制出了螺旋式生物质成型机，并逐步推广到了中国台湾、泰国乃至 欧洲和美国。此后又相继产生了以油压、水压为动力的生物质压缩成型设备，以 及以机械为动力滚筒或小颗粒成型设备。在8 0 年代中期，随着开发了自动化程 度相当高的家用生物质成型燃料炉具，生物质成型燃料产业逐步被建立起来。 我国在上世纪8 0 年代后也研制开发了一些生物燃料成型设备，如螺旋式棒 状生物燃料成型机、活塞式生物燃料成型机、环模滚压颗粒生物燃料成型机等。 6 近年又陆续研制成功了一些成型效果更好、更适合市场推广的生物质成型技术， 如河南农业大学研制的往复活塞双向挤压式成型机、北京惠众实科技有限公司开 发的生物质常温固化成型技术等，推动了生物质成型燃料的产业化。 ( 2 ) 生物质燃料成型技术的分类 我国发展的压缩成型机基本可分为两种：螺杆成型机和冲压成型机。螺杆成 型机在我国已有1 0 多年的发展历史，目前己在运行的系统约有6 0 0 多台，其技 术关键是螺杆的使用寿命。由辽宁省能源研究所用特种材料研制的螺杆已经问 世，其连续使用时间已达5 0 0 小时。冲压成型机目前尚在研究阶段1 。 而我国由河南农业大学、山西万发炉具厂联合开发的生物质成型机也已用于 生产。生产的致密成型燃料，用于取暖和小型锅炉。经测定，烟尘、二氧化硫等 有害物排放大大低于煤，是一种洁净的可再生能源“”。 活塞压力式成型技术 其工作原理如图1 1 所示： 图1 1 活塞式生物质压缩成型机 原料经过粉碎以后，通过机械或风力形式送入预压室，当活塞后退时，预压 块送入压缩筒，活塞前进时把原材料压紧成型，然后送入保型筒“”。 “活塞式”技术的缺点是：间断冲击，有不平衡现象，产品不适宜炭化，虽允 许生物质含水分量有一定变化幅度，但质量不稳定。 螺旋挤压技术 其工作原理如图1 2 所示。 被粉碎的生物质连续不断地送入压缩成型筒后，转动的螺旋推进器不断地将 原料推向锥形成型筒的前端，挤压成型后送入保型筒，因此生产过程是连续的， 质量比较均匀。产品的外表面在挤压中被炭化，这种炭化层容易点燃，且可防止 周围空气中水分的侵入；该产品可中心打孔，送入炉子后空气从中心孔中流通， 有助于完全燃烧，快速燃烧；相对活塞式成型机其设计比较简单，但单位产品能 耗较高6 1 。 图1 2 螺杆式生物质压缩成型机 压辊式成型机 压辊式成型机基本工作部分由压辊和压模组成，其中压辊可以绕轴转动。压 辊的外圈加工齿或糟用于压紧原料不至于打滑。压模有圆盘和圆环两种，加工有 成型孔。原料进入压辊和压模之间，在压辊的作用下被压入成型孔内，从成型孔 内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形，最后用切刀切成颗粒状成型燃料“。 用压辊式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，依靠物料挤压成型 时所产生的摩擦热即可使物料软化和粘合。若原料木质素含量低，粘力小，可添 加少量粘结剂。 1 4 3 生物质原料的成型机理 植物质原料中含有纤维素、木质素、树脂等物质。木质素为光合作用形成的 天然聚合体，具有复杂的三维结构，属于高分子化合物，在植物中的含量一般为 1 5 3 0 。由x 射线衍射知道，木质素属于非晶体，没有熔点但有软化点，经试 验当温度在7 0 1 0 0 时其粘合力开始增加，温度在2 0 0 一3 0 0 时可以熔融， 黏度高，此时施加一定的压力增强分子间的内聚力，可将它与纤维素紧密粘接并 与相邻颗粒互相黏结，使生物质原料变得致密均匀，体积大幅度减少，密度显著 增加。当取消外部压力后，由于非弹性的纤维分子之间的相互缠绕，一般不能恢 复原来的结构和形状。在冷却以后强度增加，成为成型燃料。压缩时对植物质原 料进行加热软化，有利于减少成型时的挤压力。因此现代的压缩成型设备，多在 成型模的末端，用电阻丝加热，达到既成型又减少阻力的目的“6 “”“。 由于植物生理方面的原因，生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小。 这些质地松散的生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排 列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段( 图1 3 ) ，体积大幅度减小，密 度显著增大。由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和绞合，在去除外 部压力后，一般不能再恢复原来的结构和形状。 有研究表明，成型材料在垂直于最大应力方向上，粒子主要以相互啮合的形 式结合，而在垂直于最小应力方向上，粒子主要以相互靠紧结合的形式结合。对 于木质素等粘弹性组分含量较高的原料，如果在成型温度达到木质索的软化点， 则木质素就会发生塑性变形，从而将原料纤维紧密地黏结在一起，并维持既定的 形状，成型燃料块经冷却降温后，强度增大，即可得到燃烧性能类似于木材的生 物质成型燃烧块；对于木质素含量较低的原料，在压缩成型过程中，加入少量的 黏结剂，也可以使压缩后的成型块维持致密的结构和既定的形状。因为这些黏结 剂加入后，生物质粒子表面会形成一种吸附层，使颗粒之间产生一种引力，即范 德华力( v a nd e rw a l l sf o r c e s ) ，同时在较小外力作用下粒子之间也可产生 静电引力( e 1 e c t r o s t a t i cf o r c e s ) ，致使生物质粒子间形成连锁( i n t e r l o c k i n g ) 结构。被粉碎了的生物质粒子在外压力和黏结剂作用下，重新组合成具有定开 关的生物质成型块，这种成型方法需要的压力比较小。对于某些容易成型的材料 则不必加热，也不必加黏结剂，但在需要细小粉碎颗粒，较大成型压力时，滚筒 挤压式小颗粒成型实际就是这种类型”。 图13 生物质压缩成型过程图解 1 5 国内外研究进展 本论文研究以煤炭、生物质的成型及燃烧理论为基础，利用冷态低压成型方 法制取煤木混合型煤，并对其物理特性及燃烧特性进行了较深入的试验和分析。 国内外的相关研究包括生物质燃料、型煤及生物质型煤三个方面，从公开发 表的研究成果看，在单一的生物质燃料或型煤方面，国内外的研究起步较早，成 果较多，在生物质型煤方面，总体属于起步阶段，研究少，且以农作物秸秆为主。 煤炭是工业锅炉的主要燃料。国外在煤炭方面的研究重点是煤炭的汽化以及 液化，国内学者主要从事洁净煤技术的研究和开发，包括型煤技术等。我国对型 9 煤的研究起步于民用型煤，现在着重研制适合工业锅炉使用的型煤和其它专用型 煤，目前主要问题是加工费用偏高，寻找更价廉物美的固硫剂及其它添加剂、更 低成本的加工工艺已是研究的当务之急。 国外生物质燃料技术开发是从7 0 年代末期开始的，现在已有了很大进展。 目前，直接燃烧秸秆的先进设备已投放市场，生物质供热、发电或热电联供已成 为现实。如荷兰b t g 开发成功的生物质高温热解装置产气率大于6 6 ；德国、 美国等开发出自动化程度相当高的家用生物质气化炉用于用户热水和供暖。 木废料的燃烧特性及燃烧技术方面，国内外不少学者都作了一定的研究，并 获得了一定的成果。在木材加工行业，木废料作为工业锅炉燃料也得到了一定的 实际应用，如有些企业建立了专烧木废料的能源中心或车间，有些企业在燃煤锅 炉中喷燃砂光粉，有的企业在煤中掺入少量树皮、刨花等”“。 根据有关参考文献报道，美国、日本、德国等都有生物质型块方面的研究。 美国及欧洲国家的研究主要集中在生物质型块的热解、气化燃烧和与煤的混烧方 面。而日本利用农作物秸秆等压制型煤，其中生物质占l5 3 0 ，型煤已经 做到了中试性研究，但其研究更多地集中在成型的规律方面姐”。3 “”。 从国内讲，浙江大学、清华大学、哈尔滨理工大学、北京煤化学研究所、杭 州环境保护研究所、沈阳环境科学研究所等单位也进行了生物质型煤的部分开发 工作和小型实验研究“7 ”“。清华大学侧重于成型机研究，浙江大学注 重热解、气化方面研究，其它单位也有对固硫专题研究，但都处于起步阶段。浙 江大学张同翔等对型煤的着火特性进行了试验研究，研究发现，提高型煤的成型 压力有助于提高强度，但同时会提高其着火难度，添加固硫剂也会提高其着火难 度o ”。河南理工大学邵强等对工业型煤防水性的影响因素进行了试验研究，研究 发现，粘土和煤形成的混合物本身不是防水的，过量的粘土会导致型煤整体防水 强度的下降”“。浙江大学盛奎川等对生物质成型燃料的成型机理进行了分析研 究，发现生物质压缩成型与生物质的粒子特性、电势特性及化学成分变化有密切 的关系”“。浙江大学余有芳等对生物质成型燃料的热解燃烧特性进行了试验研 究，研究发现，密度较大的棉杆成型块升温速率较低，挥发分逸出时间增加，高 温燃烧时间延长，炉子的热效率提高”“。哈尔滨理工大学刘伟军等进行了生物质 型煤点火性能、燃烧机理、燃烧速度、燃烧污染特性和固硫规律等的理论分析和 试验研究，研究发现，生物质型煤的着火温度明显低于普通型煤，一般低3 0 4 0 ，随着生物质比例提高，着火温度有下降的趋势，而且可通过较低的过剩空 气系数a 下的燃烧，进一步降低s 0 ：的生成”“”。中科院热物理研究所秦成等 对垃圾衍生燃料的燃烧特性进行了研究，研究发现，草木类可燃物易着火，燃烧 猛烈，但持续时间短，有二次着火现象，其燃烧过程可用两个一级反应来描述”“。 河南农业大学樊峰鸣等以华北的玉米秸秆、大豆秸秆为原料，利用热压成型方法 制取生物质成型燃料，并对其物理特性进行了研究。研究发现，原料含水率在8 1 5 时很容易成型，1 2 左右成型效果最佳”。 1 0 表1 2 列出了国内生物质型煤的部分研究情况。 表1 2 国内生物质型煤研究概况( 部分) 相关单位研究者研究内容 产品及其它 生物质型煤的生 试验产物：生物质活性型煤 成都环保科 杨治敏等 产工艺流程及其 生物质含量：2 0 3 0 研所固硫技术的深入 原料含水率：( 5 研究 生物质固硫型煤 重庆生物质 技术在产品防潮 成型设备：日本高压成型机 固硫型煤试 抗水性、冷热强度 产品：四种配方的生物质固硫型 和高温下的固硫、 验厂煤和非生物质固硫型煤 固灰率等性能方 面的改进 生物质在煤矸石 合适的生物质掺配比例：6 8 左 河南农业大层燃过程中作用 右 张全国等研究发现：木材加工废方物的助 的一系列基础性 试验及研究 燃作用明显高于农作物秸秆，可 优先选用 研究产品：低硫治金型焦 山东矿业学 周仕学等生物质型焦技术原料：肥煤、生物质、无烟煤 院 型煤形状：枕形 山东临沂生 原料：玉米秸、烟煤( 肥煤) 、消 物质型煤示生物质型煤 石灰 型煤形状：枕头型 范厂 生物质含量：l o - 3 0 原料：一般煤或劣质煤，生物质， 太原市型煤生物质型煤无粘粘结性好的煤 制品厂结剂成型成型方式：在一定温度下用压力 较高的成型机成型 流化床用生物质 中国矿业大 张明旭等混合煤粉成型燃 研究地点：美国 学 原料：高硫粉煤，石灰石，废纸 料 冶金部鞍山 冷压型煤成型工 热能研究院 艺 以纸浆废液、糖浆废液为粘结剂 1 6 课题研究的主要内容和意义 生物质来源广泛，有较好的易燃特性和环保特性，作为燃料既可节约煤炭， 又可实现二氧化硫的零排放及二氧化碳的绿色生态循环，越来越受到重视；煤炭 是我国能源生产和消耗的主要能源品种，占我国能源消耗总量的7 0 左右，但 煤炭的着火性能较差，而且对环境污染相当严重；把生物质与煤炭混合并加工成 型煤是开发利用煤和生物质能的新途径，既能扬长避短，又能保证生物质型煤对 工业锅炉尤其是链条炉的适应性，对于我国这样一个农业大国和中小型层燃链条 炉拥有量十分可观的燃煤大国，是至关重要的。”“。 总之，研究生物质型煤是煤炭资源洁净持续利用的需要，是控制煤烟型大气 污染的需要，是当前控制温室效应的需要，也是层燃工业锅炉环保节能的需要。 在各种生物质燃料中，木材加工剩余物的能量密度相对较高，收集难度较小， 便于工业化利用，更具发展前景。木材加工剩余物量大，包括边角料、锯屑、砂 光粉、树皮、刨花等( 简称木废料) ，这些木废料除部分用作原料、燃料外，大 部分未很好利用，既占地方，又严重污染环境，甚至会酿成火灾事故。对木材加 工企业而言，最简便的办法就是将其作为锅炉燃料使用，用来满足生产及生活的 需要1 。 木废料作为锅炉燃料有其优点，如硫分极低，灰分极少，但对燃煤锅炉而言， 完全用木废料替换煤炭，或采取煤一木废料混烧，在技术上有定难度，维护工 作量加大，而且锅炉热效率下降较多，不是最佳途径。把燃煤锅炉改造成木废料 锅炉，或购置专用的木废料锅炉，花费大，若企业自产木废料不够，还得烧煤炭 或者外购木废料，也不是好办法。 如果把屑煤、碎木废料混合在一起加工成煤木混合型煤，就不存在上述问题。 在锅炉工作过程中，混合型煤的特性对锅炉运行有很大影响，鉴于此原因，笔者 把论文题目定为：“煤木混合型煤的特性试验与研究”。 研究意义可归纳为四点： 1 ) 采用煤木混合型煤，有利于木材加工企业充分利用自产的木废料，从而 达到降低煤炭消耗，减少s o ：排放，保护环境的目的。 2 ) 木材加工企业可以不改动或少改动锅炉，从而节省锅炉改造费用。 3 ) 加工型煤是有一定成本的。加入木废料后，可不加或少加固硫剂，有助 于降低型煤的生产成本。 4 ) 为木材加工企业生产煤木混合型煤提供工艺指导及技术指导。 本文主要在下面三个方面进行了一些分析研究工作： 1 ) 在分析我国能源特点、工业锅炉现状的基础上，对发展工业型煤的必要 性进行了分析，结合我国生物质资源情况及燃烧特点，分析了生物质型煤的发展 前景和重要意义。 2 ) 煤木混合型煤物理特性的试验与研究 煤木混合型煤的物理特性包括冷压强度、落下强度、防水性、煤球平均密度 等，由于煤木混合型煤暂无标准，拟用来部分替代工业型煤，故参照工业型煤的 测试方法和原则进行。 结合工业锅炉的燃烧需要及加工方便，在参考相关型煤尺寸、形状研究的基 础上，设计了两套煤木混合型煤模具，用以试验及分析。第一套为扁球形，第二 套为椭球形，从试验及研究情况看，扁球形受力更均匀，比椭球形成型容易。 调整锯屑比例分别为1 0 、2 0 、3 0 ，分析试验数据，研究了锯屑比例 对成型效果的影响；调整粘结剂含量分别为0 、l o 、2 0 ，分析试验数据， 研究了粘结剂含量对成型效果的影响：成型压力从3 0 m p a 提高到4 0 m p a ，研究 了成型压力对成型效果的影响：粉煤粒度从3 m m 改为1 m m ，通过试验研究了粉 煤粒度对成型效果的影响。 3 ) 煤木混合型煤燃烧特性的试验与研究 煤木混合型煤的燃烧特性主要是指发热量、挥发份、焦结性和灰熔点。在工 业实际应用中它表现在燃烧失重速率、挥发分逸出、着火点、最大燃烧反应速率 时的温度及燃烬温度等方面，可用t g 、d t a 、d t g 等曲线反映。 在实际测试烟煤、锯屑发热量的基础上，推导了煤木混合型煤的发热量计算 公式，并给出了一定范围内的发热量速查表。 调整锯屑比例( 锯屑质量与锯屑、煤屑质量的百分比) 分别为0 、1 0 、 2 0 ，进行燃烧特性试验；锯屑：煤屑：黄泥按2 ：9 6 ：2 ，4 ：9 2 ：4 ， 6 ：8 8 ：6 ，8 ：8 4 ：8 ，1 0 ：8 0 ：1 0 ，进行燃烧特性试验；根据 试验数据，分析不同锯屑比例对燃烧特性的影响；分析不同黄泥比例对燃烧特性 的影响。 对四个煤木混合试样，一个纯煤样，一个纯锯屑试样的燃烧过程分别计算了 动力学参数，并对各参数进行了对照分析及研究。 2 煤木混合型煤物理特性的试验与研究 在分析木废料燃料、工业型煤研究方法的基础上，结合相关的国家标准及企 业标准，拟定试验方案如下： 选用无机类粘结剂黄土为粘结剂，按正交法进行锯屑比例、粘结剂含量两个 组分不同比例的成型试验，进行其物理特性的对比，研究各种组分对成型效果的 影响，寻找达到最佳成型效果的途径。再选用试验中效果最佳的配方，分别改变 原料粒度和成型压力，辅助进行这两项的简单研究“。 2 1 试验项目与方法 2 1 1 试验设备及型煤成品 ( 1 ) 塞多利斯( s a r t o r i u s ) b s 2 2 4 s 电子天平 最大量程：2 2 0 9 最小分度：o 0 0 0 l g ( 2 ) m w 一4 型木材万能试验机( 两个档位可供调节) 最大